集成光子学把激光、调制器、探测器和多种光学功能压到一块芯片上，带来紧凑、稳定、低功耗与可规模制造的好处。面向地球科学观测的片上光谱仪概念在可见光与短波红外波段已经跑通，但许多化学物种的吸收特征位于中波和长波红外，这两个波段的集成光子学进展一直有限。中波红外始终缺少能直接装进光子芯片的探测器，因为该探测器必须同时满足三条硬要求：能接受侧入射、尺寸足够紧凑以便在高效耦合的同时压住暗电流、并且具备可通过金属—金属键合与光子芯片对接的电极与机械支撑。
据麦姆斯咨询报道，近日，美国航空航天局喷气推进实验室联合诺斯罗普·格鲁曼空间系统公司的研究团队研制出面向集成光子学的中波红外高工作温度势垒探测器（HOT-BIRD）。器件沿用单极势垒架构与无镓砷化铟/铟砷锑二类应变层超晶格吸收层：在4英寸锑化镓衬底上依次生长5 μm厚的超晶格吸收层、0.2 μm的铝砷锑电子势垒与0.15 μm的顶部接触层；经光学仿真选定，探测器的吸收层厚度为5 μm、长与宽分别为7 μm与10 μm，侧壁钝化层兼作四分之一波长增透膜，其余几面与顶部覆金属作反射器。测试显示，探测器截止波长为5.5 μm（150 K），工作温区覆盖77至273 K，250 K下侧照量子效率约30%、暗电流密度约0.2 A/cm?，197 K时暗电流密度低至3.0×10?? A/cm?。侧入射条件下的光谱还呈现出多重振荡与4 μm以下响应迅速抬升两个新特征，分别源于小像元内的法布里—珀罗谐振与超晶格的各向异性吸收。芯片小片通过金柱与光子芯片上的匹配焊盘相连完成金属—金属键合，探测器与波导的垂直对准则由基座高度调节。研究团队指出，这是把集成光子技术拓展到中波红外、进而实现紧凑的片上化学检测与识别光谱仪的重要一步。研究成果以“Mid-wavelength infrared high-operating temperature detector for integrated photonics”为题发表在Applied Physics Letters期刊上。
如何将红外探测器装入光子芯片
研究团队对标一套已被短波红外铟镓砷器件验证过的波导光谱仪架构：在波导前方刻出一个凹槽，把探测器放进去，再用“多样化可及异质集成”（DAHI）工艺把它贴到光子芯片上。光由此从侧面进入探测器，这与常规探测器为正入射或背入射所做的全部优化都不一样。围绕这一架构，团队提出三条设计要求：兼容侧入射；尺寸紧凑，以便在高效耦合波导出光的同时压低暗电流；电极排布与机械支撑结构能够支持金属—金属键合。还有两个问题必须先行评估——超晶格吸收是各向异性的、常规用法又是正入射，侧入射下的表现无从参考；而器件一旦做小，比表面积急剧上升，窄禁带吸收层暴露出的侧壁可能引入表面暗电流。为此团队把截止波长设计在约6.0 μm，以覆盖3至5 μm这一中波波段，相关结构如图1所示。
图1 面向光子集成电路的中波红外探测器
外延结构与大像元基准线
器件在4英寸锑化镓衬底上由分子束外延生长：5 μm厚的砷化铟/铟砷锑超晶格吸收层（周期68/18埃）之下是0.4 μm的同质底接触层，之上依次是0.2 μm的铝砷锑电子势垒与0.15 μm的超晶格顶接触层。大像素中波红外高工作温度势垒探测器的测试结果如图2所示。
图2 大像素中波红外高工作温度势垒探测器的测试结果
科普小知识：单极势垒是怎么把暗电流挡住的？
常规光电二极管靠一个pn结把电子和空穴分开，可这个结本身就是暗电流的温床：耗尽区里热激发产生的载流子通过产生—复合过程形成电流，温度一高就迅速失控，于是只能靠制冷把温度压下去。单极势垒换了个思路——在吸收层与接触层之间插一层更宽禁带的势垒，让它的能带位置只挡住一种载流子（这里是电子），而多子畅通无阻。既然势垒只“拦一种人”，光生载流子仍能顺利通过，暗电流的主通道却被掐断了，这就是“单极”二字的含义。
面向集成的芯片化工艺
为了让探测器能被装进光子芯片，研究团队单独开发了一套工艺，包含侧入射适配的器件设计、亚10 μm的横向尺寸、可与光子芯片对接的电接触，以及与DAHI工艺的兼容性。从掩膜布局看，探测器位于芯片小片中央，两个电接触延伸到右上方的键合焊盘——这些焊盘既可用于引线键合，也可与光子芯片上的对应焊盘对接；小片其余的角和竖直边布置了带金柱的金焊盘，与光子芯片上的匹配焊盘相连以提供机械支撑。承托探测器台面及其接触的是一个基座，另有独立的接地接触；控制基座高度，就可以调节探测器与波导之间的垂直对准。工艺上依次完成顶接触金属沉积、以二氧化硅硬掩膜干法刻蚀台面、沉积兼具钝化与增透膜作用的二氧化硅层、刻蚀基座、在台面顶部开孔引出顶接触、沉积接触金属，最后沉积带金柱的焊盘。划片位置贴近芯片小片底边，以留出侧入射的光路。相关结构如图3所示。中波红外高工作温度势垒探测器的光电性能如图4所示。
图3 面向光子集成电路的探测器芯片
图4 小像素（7 μm×10 μm）中波红外高工作温度势垒探测器的测试结果
总结
这项研究面向波导光子集成光谱仪，研制出可侧入射、亚10 μm尺寸、能用金属—金属键合装到光子芯片上的中波红外高工作温度势垒探测器。器件截止波长5.5 μm（150 K），工作温区覆盖77至273 K，250 K下侧照量子效率约30%、暗电流密度约0.2 A/cm?；197 K时暗电流密度低至3.0×10?? A/cm?，反而低于同片350 μm大像元，说明把器件做小并未让侧壁漏电成为主导项。该工作把中波红外探测器的设计维度从“材料与制冷”扩展到了“几何、入射方向与封装”，为把片上光谱技术推进到中波红外奠定了器件基础。研究团队也坦承，小像元约400 mV的开启偏压成因尚未明确，可能与表面能带弯曲或非欧姆接触有关；光谱中的法布里—珀罗振荡同样需要在后续设计中加以处理。
论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0347226
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